基于UG的圆柱渐开线齿轮参数化设计.pdf

第 4卷 第 2期2005年 6月常 州 信 息 职 业 技 术 学 院 学 报Journal of Changzhou Vocational College of Information TechnologyVol. 4 No. 2Jun. 2005收 稿 日 期 : 2005204212作 者 简 介 :周 正 元 (19662) ,男 ,副 教 授 ,从 事 研 究 方 向 :机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化基 于 UG的 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 参 数 化 设 计周 正 元(常 州 信 息 职 业 技 术 学 院 机 电 工 程 系 江 苏 常 州 213164)摘 要 :在 Unigraphics环 境 下 ,在 归 纳 了 常 见 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 的 结 构 基 础 上 ,利 用 其 成 形 特 征 和 表 达 式 功 能 实 现 圆 柱 渐 开 线齿 轮 齿 坯 的 参 数 化 设 计 方 法 ,可 使 设 计 人 员 能 应 用 现 有 的 模 型 进 行 更 新 设 计 ,提 高 设 计 效 率 ,并 介 绍 了 利 用 表 达 式 、规 律 曲 线 和 螺 旋 功 能 实 现 圆 柱 齿 轮 (直 齿 和 斜 齿 )的 精 确 建 模 。关 键 词 : UG软 件 ; 渐 开 线 齿 轮 ; 参 数 化 设 计 ; 精 确 建 模中 图 分 类 号 : TH 132. 413 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 167222434( 2005) 0220017204Param eter ized Design of Cylindr ica l InvoluteGears Ba sed on Un igraphics NXZHOU Zheng2yuan(Dep t. ofMechanical and Electrical Engineering, Changzhou College of Information Technology, Changzhou 213164, China)Abstract : This paper introduces the method of realization parameterized design of cylindrical involute gears based on unigraphics NXafter inducing the general structure of cylindrical involute gears, and composers can get the new needed roughcast quickly byapp lying the models. A ssisted with the function of exp ression, discip linarian curve and helix, accurately models of cylindri2cal ( vertical or bevel) gears were realized.Key words : the software of UG; involute gears; parameterized design; modeling accurately0. 引 言Unigraphics软 件 是 一 个 集 成 化 的 CAD /CAE /CAM系 统 软 件 ,它 为 工 程 设 计 人 员 提 供 了 非 常 强 大的 应 用 工 具 ,这 些 工 具 可 以 对 产 品 进 行 设 计 (包 括零 件 设 计 和 装 配 设 计 )、 工 程 分 析 (有 限 元 分 析 和 运动 机 构 分 析 )、 工 程 图 绘 制 、 数 控 加 工 程 序 编 制 等 ,极 大 地 提 高 了 企 业 的 技 术 创 新 能 力 和 对 市 场 的 快 速反 应 能 力 。 UGNX基 本 工 作 流 程 是 :设 计 人 员 先 按照 有 关 理 论 对 零 件 造 型 ,接 着 就 可 利 用 其 数 字 化 装配 尽 早 发 现 问 题 ,如 检 查 干 涉 和 间 隙 调 整 。 利 用 其工 程 分 析 功 能 可 以 验 证 其 运 动 学 和 动 力 学 性 能 ,据此 可 进 一 步 完 善 设 计 。 完 善 后 的 零 件 ,一 方 面 可 自动 转 换 为 工 程 图 以 便 加 工 ,另 一 方 面 可 根 据 需 要 ,将一 些 复 杂 型 面 直 接 转 换 为 数 控 加 工 程 序 。 显 然 造 型是 第 一 步 ,也 是 比 较 重 要 的 一 步 。渐 开 线 齿 轮 是 各 种 机 械 传 动 设 备 中 常 用 的 零件 ,在 设 计 制 造 中 ,工 程 设 计 人 员 经 常 需 要 对 齿 轮 进行 造 型 。 由 于 渐 开 线 齿 轮 齿 型 比 较 复 杂 ,目 前 大 多数 三 维 建 模 系 统 都 不 能 直 接 生 成 齿 轮 造 型 。 因 此 ,对 于 普 通 设 计 人 员 来 说 ,要 对 齿 轮 进 行 三 维 造 型 并不 是 一 件 很 容 易 的 事 情 。 一 方 面 要 花 费 不 少 时 间 对齿 轮 齿 坯 进 行 造 型 ;另 一 方 面 需 要 花 费 大 量 时 间 来熟 悉 软 件 并 掌 握 较 高 水 平 的 造 型 技 巧 。 为 此 ,本 文应 用 UG成 形 特 征 和 表 达 式 功 能 ,能 较 容 易 地 实 现三 类 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 齿 坯 的 参 数 化 设 计 ,减 少 了 繁琐 的 重 复 劳 动 ,并 详 细 介 绍 了 齿 轮 轮 齿 的 精 确 建 模方 法 。1. 常 见 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 的 结 构根 据 齿 轮 工 作 条 件 和 预 定 使 用 时 间 ,通 过 齿 轮传 动 的 强 度 计 算 ,可 以 确 定 齿 轮 的 主 要 参 数 。 普 通渐 开 线 齿 轮 有 九 个 基 本 参 数 影 响 齿 轮 的 形 状 和 尺寸 ,它 们 是 :齿 数 z、 模 数 m、 压 力 角 、 螺 旋 角 、 齿宽 B、 变 位 系 数 x、 齿 顶 高 变 动 系 数 、 齿 顶 高 系 数ha3 和 顶 隙 系 数 c3 (对 于 标 准 齿 轮 ha3 = 1; c3 =0. 25)。 由 机 械 原 理 派 生 参 数 有 :分 度 圆 直 径 : d = zm齿 顶 圆 直 径 : da = d + 2 ( h3 a + x - ) m齿 根 圆 直 径 : df = d + 2 ( h3 a + c3 - x) m齿 圈 、 轮 辐 、 轮 毂 等 的 结 构 形 式 及 尺 寸 大 小 ,通常 都 根 据 以 上 基 本 参 数 ,由 结 构 设 计 而 定 。 常 见 齿轮 结 构 形 式 有 如 下 三 种 (见 图 1 图 3)。图 1 圆 柱 齿 轮图 2 圆 柱 齿 轮 轴图 3 实 心 结 构 的 齿 轮对 于 直 径 很 小 的 钢 制 齿 轮 (图 4) ,若 齿 根 到 键槽 底 部 的 距 离 e 2m (m为 模 数 )时 ,应 将 齿 轮 和 轴做 成 一 体 ,叫 做 齿 轮 轴 (图 1)。 其 中 d1 df。 若 e值 超 过 上 述 尺 寸 时 ,齿 轮 与 轴 一 般 分 开 制 造 。图 4 腹 板 式 结 构 的 齿 轮当 齿 顶 圆 直 径 da 160 mm时 ,可 做 成 实 心 结构 的 齿 轮 (图 2)。 其 中 : D1 1. 6D0 ; L 1. 35D0 ; n1= 0. 5m。当 齿 顶 圆 直 径 160 da 500 mm时 ,可 做 成 腹板 式 结 构 (图 3) ,腹 板 上 开 孔 的 数 目 按 结 构 尺 寸 大小 及 需 要 而 定 。D4 是 按 轴 的 传 动 强 度 计 算 而 得 ,其 它 结 构 尺 寸可 以 按 照 以 下 公 式 计 算 :其 它 结 构 尺 寸 : D0 da - 12m; D3 1. 6D4 ; D1(D0 +D3 ) /2; D2 0. 3 (D0 - D3 ) ; C 0. 375B; n10. 5m; r1 5mm。2. 齿 轮 坯 的 参 数 化 设 计2. 1 参 数 化 设 计 的 概 念 及 原 理参 数 化 设 计 模 型 是 以 约 束 来 表 达 产 品 模 型 的 形状 特 征 ,以 一 组 参 数 来 控 制 设 计 结 果 ,从 而 能 通 过 变换 一 组 参 数 值 ,方 便 地 创 建 一 系 列 形 状 相 似 的 零 件 。参 数 化 设 计 的 基 本 手 段 有 程 序 驱 动 与 尺 寸 驱动 。 程 序 驱 动 法 是 通 过 分 析 图 形 几 何 模 型 的 特 点 ,确 定 模 型 的 主 参 数 以 及 各 尺 寸 间 的 数 学 关 系 ,将 这种 关 系 输 入 程 序 中 ,进 而 在 零 件 设 计 时 只 需 输 入 几个 参 数 即 可 生 成 所 要 求 的 模 型 。 尺 寸 驱 动 是 对 程 序驱 动 的 扩 展 ,它 的 基 本 思 想 是 由 应 用 程 序 生 成 所 涉及 的 基 图 ,该 图 的 尺 寸 有 一 系 列 的 标 识 ,这 些 尺 寸 由用 户 在 编 程 时 输 入 或 交 互 式 输 入 ,从 而 生 成 用 户 的模 型 。参 数 化 设 计 的 优 点 有 二 : 参 数 化 设 计 技 术 以其 强 有 力 的 尺 寸 驱 动 修 改 图 形 功 能 为 初 始 产 品 设计 、 产 品 建 模 和 修 改 系 列 产 品 设 计 提 供 了 有 效 的 手段 ; 参 数 化 设 计 可 以 满 足 设 计 具 有 相 同 或 相 近 几何 拓 扑 结 构 的 工 程 系 列 产 品 及 相 关 工 艺 装 备 的 需要 。81 常 州 信 息 职 业 技 术 学 院 学 报 2005年 6月 UG系 统 最 典 型 的 特 点 是 参 数 化 ,在 构 造 特 征 、草 图 时 ,系 统 将 自 动 建 立 相 应 的 参 数 表 达 式 ,并 以 参数 parameter的 第 一 个 字 母 p开 始 ,后 接 整 数 构 成 。例 如 在 构 建 了 长 方 体 时 ,用 户 输 入 长 、 宽 、 高 后 ,系 统就 建 立 对 应 的 参 数 表 达 式 p0 = 30、 p1 = 20、 p2 = 25。在 下 拉 菜 单 【 工 具 】 【 表 达 式 】 中 修 改 任 一 参 数并 按 【 应 用 】 后 ,实 体 模 型 均 会 作 相 应 更 新 。 体 现 参数 化 除 使 用 尺 寸 参 数 控 制 模 型 外 ,还 可 在 尺 寸 之 间建 立 数 学 关 系 式 ,使 其 保 持 始 终 相 对 的 大 小 、 位 置 或约 束 条 件 。 在 零 件 模 式 下 ,系 统 允 许 建 立 特 征 之 间的 关 系 式 ,使 得 零 件 中 的 不 同 特 征 产 生 关 联 ,此 时 创建 的 参 数 关 系 式 成 为 零 件 关 系 式 。 这 样 ,当 建 好 一个 特 定 的 零 件 后 ,使 用 表 达 式 编 辑 其 参 数 ,就 可 得 到具 有 相 同 或 相 似 拓 扑 结 构 的 零 件 族 。2. 2 齿 轮 坯 参 数 化 设 计 的 过 程为 叙 述 方 便 ,现 以 图 3腹 板 式 结 构 齿 轮 为 例 ,说明 其 齿 轮 坯 参 数 化 设 计 的 过 程 及 后 面 轮 齿 的 形 成 。(设 在 上 图 3中 , m = 3、 z = 68、 B = 60、 D4 = 60、 x = 0、 = 0、 ha = 1、 c = 0. 25,并 相 应 计 算 出 da = 210、 D0 =174、 D1 = 135、 D2 = 25、 D3 = 96、 C = 22. 5、 n1 = 1. 5、 r1= 5。 )(1)用 “ 成 形 特 征 ” 功 能 对 上 述 腹 板 式 齿 轮 坯 造型 要 点 是 : 每 建 立 一 个 特 征 (如 外 形 圆 柱 )后 ,打 开 表 达 式 对 话 框 ,用 “ 更 改 ” 功 能 将 自 动 产 生 的 参数 名 p0、 p1等 逐 一 更 改 为 齿 轮 相 应 结 构 参 数 da、 B等 。 对 于 齿 轮 无 相 应 结 构 参 数 ,对 应 的 参 数 名 不 必更 改 ,但 必 须 将 其 实 际 意 义 记 录 ; 创 建 各 特 征 时 ,要 用 做 完 后 既 能 自 动 产 生 形 状 参 数 ,又 能 自 动 产 生位 置 关 联 参 数 的 方 法 。 例 如 制 作 减 轻 圆 孔 6 - D2时 ,用 “ 孔 ” 功 能 在 齿 坯 侧 面 建 孔 可 满 足 上 述 要 求 ,而 用 “ 圆 柱 ” 功 能 建 圆 柱 再 “ 减 ” 去 ,则 无 位 置 约 束 或参 数 产 生 。(2)建 立 参 数 驱 动 机 制 步 骤 : 使 用 表 达 式对 话 框 中 的 “ 输 出 ” 功 能 ,在 指 定 目 录 下 以 指 定 文 件名 如 “ m2z68. exp” 输 出 表 达 式 数 据 文 件 ,并 保 存 该样 板 ; 用 文 本 编 辑 器 打 开 “ m2z68. exp” 文 件 ,添加 : m = 3、 z = 68、 x = 0、 = 0、 ha = 1、 c = 0. 25、 L =64. 4、 b1 = 18,每 句 一 行 加 上 已 有 常 值 表 达 式 B =60、 D4 = 60、 r1 = 5,共 11个 常 值 表 达 式 ; 其 它 表 达式 如 da、 D0、 D1、 D2、 D3、 C、 n1 及 一 些 未 改 名 的 中 间参 数 ,均 必 须 用 上 述 11个 常 值 表 达 式 之 参 数 表 示 ,如 da= d + 2 ( ha + x - ) m、 D0 = da - 12m、 p5 = C等 ,用数 学 关 系 式 关 联 ; 使 用 表 达 式 对 话 框 中 的 “ 输 入 ”功 能 ,将 上 述 修 改 好 的 参 数 驱 动 文 件 输 入 ,单 击 【 应用 】 如 图 形 重 新 生 成 后 不 变 ,再 分 别 修 改 10个 ( r1 =5不 变 )常 值 表 达 式 之 常 数 ,单 击 【 应 用 】 以 检 验 参 数驱 动 机 制 的 正 确 性 。 完 成 后 存 盘 ,参 数 化 模 板 建 立完 成 。(3)新 齿 坯 的 生 成 创 建 新 齿 坯 : 打 开 上 述参 数 化 模 板 ,另 存 为 “ m3z79. p rt” ; 用 “ 记 事 本 ” 按新 齿 轮 创 建 上 述 10个 常 值 表 达 式 组 成 的 文 本 文 件 ,并 以 “ exp” 作 为 扩 展 名 存 盘 ; 使 用 UG表 达 式 对 话框 中 的 “ 输 入 ” 功 能 ,将 上 述 文 件 输 入 ,单 击 【 应 用 】 ,则 一 个 按 m = 3、 z = 79等 新 参 数 齿 轮 齿 坯 即 刻 生 成(见 图 5)。 重 复 上 述 步 骤 ,可 建 立 一 系 列 腹 板 式 结构 齿 轮 坯 。 变 更 x、 可 用 于 制 作 高 变 位 、 角 变 位 齿轮 ;变 更 ha、 c,可 用 于 制 作 矮 齿 或 基 准 齿 形 齿 轮 。图 5 参 数 化 齿 坯 的 制 作利 用 UG二 次 开 发 工 具 建 立 齿 轮 参 数 化 设 计 对话 框 ,实 现 UG环 境 下 新 齿 坯 参 数 的 刷 新 :利 用 UG/Open MenuSerip t编 写 用 户 菜 单 ,直 接 挂 在 UG系 统的 主 菜 单 上 ,形 成 与 UG融 合 的 界 面 ;利 用 UG/OpeaU ISlyler制 作 UG风 格 的 对 话 框 ,供 用 户 菜 单 调 用 。对 话 框 中 包 含 10个 数 据 输 入 框 ,输 入 新 参 数 后 单【 应 用 】 按 钮 即 可 按 照 新 参 数 生 成 新 齿 坯 。按 上 述 方 法 ,同 样 可 建 立 “ 圆 柱 齿 轮 轴 ” 及 “ 实心 结 构 的 齿 轮 ” 参 数 化 驱 动 模 板 ,以 备 创 建 相 同 或相 似 拓 扑 结 构 的 齿 轮 坯 造 型 。3. 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 轮 齿 的 精 确 建 模由 于 渐 开 线 齿 轮 齿 型 比 较 复 杂 ,一 些 低 端 的CAD软 件 在 生 成 齿 形 齿 廓 这 一 关 键 步 骤 时 ,用 一 系列 型 值 点 拟 合 而 成 ,这 样 的 样 条 曲 线 只 是 近 似 的 渐开 线 。 这 里 直 接 用 渐 开 线 公 式 ,应 用 UG表 达 式 和规 律 曲 线 功 能 生 成 精 确 的 渐 开 线 ,从 而 实 现 齿 轮 的精 确 建 模 。91第 4卷 第 2期 周 正 元 : 基 于 UG的 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 参 数 化 设 计 3. 1 渐 开 线 的 生 成由 机 械 原 理 可 知 渐 开 线 直 角 坐 标 系 方 程 :其 中 : rk 基 圆 半 径 。xk = rk cos( s) + rad ( s) sin ( s) yk = rk sin ( s) - rad ( s) cos( s) zk = 0s = k + k , k 渐 开 线 上 k点 处 压 力 角 ; k 渐 开 线 上 k点 处 展 角 。打 开 表 达 式 对 话 框 ,在 表 达 式 编 辑 框 依 次 添 加相 应 的 关 系 式 :a = 0b = 360t = 1zt = 0s = (1 - t) 3 a + t3 br =m 3 z3 cos ( 20) /2; xt = r3 cos ( s) + r3 rad( s) 3 sin ( s)yt = r3 sin ( s) - r3 rad ( s) 3 cos( s)再 单 击 下 拉 菜 单 “ 插 入 ” 中 “ 曲 线 ” 的 “ 规 律 曲线 ” ,在 “ 规 律 曲 线 ” 对 话 框 中 :X分 量 的 处 理 :选 择 X分 量 的 规 律 方 法 ,输 入相 应 的 参 数 ;Y分 量 的 处 理 :选 择 Y分 量 的 规 律 方 法 ,输 入相 应 的 参 数 ;Z分 量 的 处 理 :选 择 Z分 量 的 规 律 方 法 ,输 入 相应 的 参 数 ;再 选 一 个 点 作 为 基 点 ,可 得 图 6 ( a)所 示 渐 开 线 。3. 2 齿 槽 截 面 线 的 形 成先 绘 制 齿 顶 圆 、 分 度 圆 和 齿 根 圆 ,将 渐 开 线 作 齿槽 中 平 面 “ 镜 像 ” 后 ,两 渐 开 线 与 齿 顶 圆 、 齿 根 圆 经“ 修 剪 ” 后 ,得 图 6 ( b)齿 槽 截 面 线 。 其 中 齿 根 部 圆角 半 径 为 R1. 1 (按 国 标 齿 根 圆 角 0. 38 m)。图 6 由 表 达 式 形 成 渐 开 线 及 齿 槽 截 面 线 的 形 成3. 3 直 齿 渐 开 线 齿 轮 造 型 的 创 建单 击 “ 拉 伸 体 ” 按 钮 ,将 上 述 截 面 线 沿 齿 宽 方 向“ 拉 伸 ” 高 B ,得 齿 槽 实 体 。 将 齿 坯 “ 减 ” 去 齿 槽 实体 ,得 齿 槽 。 单 击 “ 引 用 特 征 ” ,将 齿 槽 沿 圆 周 阵 列 ,完 成 直 齿 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 的 建 模 (见 图 7)。图 7 直 齿 渐 开 线 齿 轮3. 4 斜 齿 渐 开 线 齿 轮 造 型 的 创 建斜 齿 轮 与 直 齿 轮 在 端 面 上 都 具 有 渐 开 线 齿 形 ,但 斜 齿 轮 的 轮 齿 呈 螺 旋 形 。 对 于 螺 旋 角 为 的 斜齿 轮 ,轮 齿 不 再 是 直 线 ,而 是 在 直 径 为 分 度 圆 直 径 、螺 距 为 dctg 的 螺 旋 线 上 。 将 图 6 ( b)齿 形 截 面 线沿 此 螺 旋 线 “ 扫 掠 ” ,得 齿 槽 实 体 。 将 齿 坯 “ 减 ” 去 齿槽 实 体 ,得 齿 槽 。 单 击 “ 引 用 特 征 ” ,将 齿 槽 沿 圆 周阵 列 ,完 成 斜 齿 圆 柱 渐 开 线 齿 轮 的 建 模 (见 图 8)。图 8 斜 齿 渐 开 线 齿 轮4. 结 论(1)利 用 三 个 齿 轮 坯 参 数 化 模 型 ,输 入 或 修 改相 应 的 参 数 ,系 统 可 自 动 生 成 所 需 要 的 齿 轮 坯 三 维造 型 。 在 工 程 实 际 中 ,设 计 人 员 可 类 似 于 上 述 方 法建 立 常 用 零 件 (如 常 用 夹 具 零 件 )的 模 型 库 ,使 用 时修 改 相 应 的 参 数 文 件 就 可 灵 活 地 修 改 设 计 ,从 而 减(下 转 第 24页 )02 常 州 信 息 职 业 技 术 学 院 学 报 2005年 6月 依 据 。图 3 课 程 评 估 及 考 试 注 册 系 统 流 程 图本 系 统 能 摆 脱 手 工 教 务 安 排 ,使 教 学 管 理 人 员从 繁 琐 的 教 务 工 作 中 解 脱 出 来 。 学 生 选 课 、 考 试 注图 4 成 绩 与 学 分 管 理 系 统 流 程 图册 、 教 务 员 排 课 、 教 务 信 息 发 布 、 成 绩 录 入 等 评 价 过程 通 过 软 件 一 气 呵 成 ,不 再 进 行 手 工 管 理 和 处 理 大量 繁 琐 的 数 据 ,充 分 达 到 数 据 共 享 ,初 步 实 现 了 校 园信 息 化 ,具 有 较 强 的 实 际 应 用 价 值 。参 考 文 献 :1 黄 梯 云 . 管 理 信 息 系 统 . 经 济 科 学 出 版 社 , 20002 张 剑 平 等 编 . 学 校 管 理 信 息 系 统 . 中 国 铁 道 出 版社 , 19993 祝 智 庭 . 现 代 教 育 技 术 学 走 向 信 息 化 教 育 .教 育 科 学 出 版 社 , 20004 吴 应 良 ,魏 劲 平 . 高 校 管 理 信 息 系 统 发 展 现 状 和对 策 . 管 理 信 息 系 统 , 1999, 2(上 接 第 20页 )少 重 复 劳 动 ,提 高 效 率 。(2)在 上 述 参 数 化 模 型 环 境 下